KR20170001053U - Filter apparatus for arc ion evaporator used in cathodic arc plasma deposition system - Google Patents
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Abstract
플라즈마 빔에서 대형 입자를 필터링하기 위해 서로 평행하게 배치된 다중 튜브를 사용하여 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로부터 플라즈마 빔의 품질을 개선시키기 위한 장치.An apparatus for improving the quality of a plasma beam from an arc ion evaporator or cathode arc source using multiple tubes arranged parallel to each other to filter large particles in the plasma beam.
Description
본 고안은 진공 아크 기술의 적용에 관한 것이다. 코팅 증착을 위한 아크 이온 증발기로부터 필터링된 플라즈마를 사용함으로써 나노-분말 재료의 합성, 표면 개선을 위한 이온 주입 및 기타 용법이 이 기술에 의해 가능하다.This invention relates to the application of vacuum arc technology. Synthesis of nano-powder materials, ion implantation for surface improvement, and other uses by using plasma filtered from arc ion evaporator for coating deposition is possible with this technique.
예를 들어, 본 고안으로부터 수득된 필터링된 플라즈마는 기계 공학, 기구 및 공구 제작, 전자 장비의 제조, 세라믹 재료의 나노-분말 및 다른 산업 분야에서 사용될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.For example, the filtered plasma obtained from the present invention can be used in, but is not limited to, mechanical engineering, instrumentation and tool making, manufacture of electronic equipment, nano-powders of ceramic materials and other industrial applications.
음극 아크 플라즈마 증착 또는 아크 이온 도금은 현재 절삭 공구, 금형, 다이 및 자동차 부품 코팅에 가장 보편적인 기술이다.Cathode arc plasma deposition or arc ion plating is currently the most common technique for coating cutting tools, molds, die and automotive parts.
소련의 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 플라즈마 소스의 개발에서 유래된 이 기술은 다양한 요구를 위해 박막을 증착하는 산업에 있어서 매우 효과적인 기술이므로 추가로 점차 개발되어 왔다.This technique, derived from the development of a Soviet arc ion evaporator or cathode arc plasma source, has been further developed since it is a very effective technique for depositing thin films for various needs.
음극 아크 플라즈마 증착의 가장 중요한 개발 방향 중 하나는 플라즈마를 제한하고(confine), 플라즈마 거동을 제어하며, 플라즈마 빔 및 증착된 필름 중 오염된 분자 또는 대형 입자와 같은 거대 입자(macroparticle)의 양을 감소시키는 것이다. One of the most important development directions of cathodic arc plasma deposition is to confine the plasma, to control the plasma behavior, to reduce the amount of macroparticles such as contaminated molecules or large particles in the plasma beam and the deposited film I will.
플라즈마를 제어하고, 대형 입자(large particles)를 필터링하기 위해 고안된 많은 필터 장치가 존재한다. 이들 필터는 필요한 결과를 얻기 위해 기계적 및/또는 자기장을 사용하고, 이 필터들은 상이한 장단점을 갖는다.There are many filter devices designed to control the plasma and filter large particles. These filters use mechanical and / or magnetic fields to obtain the required results, and these filters have different pros and cons.
A. I. Ryabchikov에 의해 소련에서 개발된 기계 장치 중 하나는 대형 베니션-블라인드 필터(Venetian-blind filter)이다.One of the machinery developed by A. I. Ryabchikov in the Soviet Union is the large Venetian-blind filter.
Ryabchikov의 베니션-블라인드 필터는 대형 프레임을 사용하고, 이 프레임 내부에 복수 개의 평면을 배치한다. 이 평면은 아크 이온 증발기와 공작물의 기판 사이에 배치되는 베니션-블라인드 방식으로 각을 이루고 있다. 이와 같이 베니션-블라인드 필터를 배치하면 아크 이온 증발기와 공작물 사이에서 시선(line-of-sight)이 확보되지 않는다.Ryabchikov's Venetian-blind filter uses a large frame and places multiple planes inside the frame. This plane is angled in a Venetian-blind manner disposed between the arc ion evaporator and the substrate of the workpiece. This arrangement of the Venetian blind filter prevents line-of-sight between the arc ion evaporator and the workpiece.
중성 입자 또는 대형 입자가 이 베니션-블라인드 필터의 평면에 충돌할 경우, 이들 입자는 평면에 삽입되거나 다른 방향으로 튀어 나온다. 극도의 고 에너지 수준을 갖는 플라즈마는 베니션-블라인드 필터의 평면들 사이의 공간을 통과할 수 있다.When neutral particles or large particles collide with the plane of this Venetian blind filter, they are inserted into the plane or protrude in different directions. Plasmas with extreme high energy levels can pass through the spaces between the planes of the Venetian blind filter.
베니션-블라인드 필터로부터의 보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 이 필터의 각 평면 주위에 자기장을 생성하는데 특정 패턴의 전기 바이어스(electric bias)가 사용된다. 또한, 필터의 평면 주위의 자기장은 베니션-블라인드 구조에서 플라즈마를 가속하는데 도움이 된다.For better plasma transport from the Venetian blind filter, a specific pattern of electric bias is used to create a magnetic field around each plane of the filter. In addition, the magnetic field around the plane of the filter helps to accelerate the plasma in the Venetian-blind structure.
도 1(선행 기술)은 Ryabchikov의 베니션-블라인드 필터의 원리를 도시한다.Figure 1 (prior art) shows the principle of Ryabchikov's Venetian-blind filter.
아크 이온 증발기(101)는 양이온 (109), 전자 (113) 및 중성 입자 (111)로 구성된 플라즈마 빔을 생성한다. 양이온 및 전자가 플라즈마 성분인 반면 중성 입자는 원자 크기 내지 수 마이크로미터 또는 그 이상의 대형 입자까지 상이한 크기를 나타낼 수 있다.The
또한, 여과에 사용되는 베니션-블라인드 (114) 구조는 서로 평행하게 배치된 대형 직사각형 평면으로 제작된다. 여과의 요구 수준이 높으면, 아크 이온 증발기와 공작물 사이에 시선이 없어질 때까지 이들 평면이 기울어질 것이다. 보다 높은 플라즈마 수송이 필요할 경우, 전류는 숫자 115로 표시된 방향으로 구체적으로 편향되어야(biased) 한다.In addition, the Venetian-blind 114 structure used for filtration is fabricated in a large rectangular plane disposed in parallel with each other. If the filtration demand is high, these planes will be tilted until there is no line of sight between the arc ion evaporator and the workpiece. If higher plasma transport is required, the current should be biased specifically in the direction denoted by
베니션-블라인드 필터의 원리에 대한 보다 명확한 이해를 위하여, 도 2 (선행 기술)는 진공 챔버 내에 설치되는 이 시스템의 개략도를 도시한다. 아크 이온 증발기 (101)는 베니션-블라인드 필터 (114) 구조를 향하는 방향으로 발사하는(beaming) 플라즈마 빔을 발생시킨다. 필터의 평면 (또는 베인(vane) 또는 라멜라(lamella) 또는 그릴(grill)) 세트는 아크 이온 증발기 (101)로부터 공작물 기판 (116)까지의 시선을 차단하는 각을 이루고 있다. 또한, 이 도 2에서 플라즈마를 보다 효율적으로 수송하려면 베니션-블라인드 필터를 편향시키는 복잡한 전기 시스템이 요구된다는 점에 유의해야 한다. 이러한 복잡성은 이 시스템의 용법을 주로 거대 입자(macroparticle) 오염이 매우 적은 추가의 부드러운 필름을 요구하는 R&D 과제로 제한한다.For a clearer understanding of the principle of the Venetian blind filter, Figure 2 (prior art) shows a schematic diagram of this system installed in a vacuum chamber. The
도 3 (선행 기술)은 베니션-블라인드 필터에 있어서 플라즈마 수송의 원리를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 베니션-블라인드 필터 시스템에서 전기적 편향에 의해서, 자기장 (110)은 필터 각각의 평면 또는 라멜라 (114) 주위에 생성된다. 플라즈마 (109) 및 중성입자 (111)로 구성되는 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔이 필터 라멜라 (또는 평면)의 컬럼으로 진행할(run into) 경우, 오직 플라즈마만 평면 사이의 공간을 통과하고, 중성 입자는 갇혀(get stuck) 통과할 수 없다.3 (Prior Art) shows the principle of plasma transportation in a Venetian blind filter. By electrical deflection in the Venetian blind filter system as shown in Figures 1 and 2, the
Frank Weber 및 Samuel Harris에게 발행된 US 특허 제8,382,963 B2호로부터의 도 4 (선행 기술)는, 시선 모드에서 작동하는 베니션-블라인드 필터 시스템에 대한 그들의 연구 결과를 도시한다. 그들은 대부분의 중성 입자가 아크 이온 증발기의 타켓 표면 (102)에 수직인 궤적을 갖지 않으므로, 대형 입자의 일부를 감소시키기 위해 아크 이온 증발기와 공작물 표면 사이의 시선을 차단하는 평면을 기울어지게 할 필요 없이 필터의 각 평면 (114) 사이의 깊이 및 공간을 사용하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 이 방법으로 수득된 코팅은 거대 입자 오염으로부터 자유롭지 않을 수 있지만, 절삭 공구 및 자동차 부품 코팅에 있어서 충분히 우수하다.FIG. 4 (prior art) from US Pat. No. 8,382,963 B2 issued to Frank Weber and Samuel Harris shows their findings on a Venetian-blind filter system operating in the line of sight mode. They do not need to tilt the plane intercepting the line of sight between the arc ion evaporator and the workpiece surface to reduce some of the large particles, since most of the neutral particles do not have a trajectory perpendicular to the
도 4 (선행 기술)에 도시된 tan θ crit. = D/S의 수학 식은 아크 이온 증발기의 타겟 (102) 표면으로부터 필터의 평면 (114)으로 배출되는 중성 입자의 임계각을 찾는데 사용된다. 이 필터의 평면이 이 공식으로부터 얻어진 임계값 보다 더 긴 깊이 D를 가지거나 임계값보다 더 낮은 이격 거리(spacing distance) S를 가질 경우 중성 입자는 필터 시스템의 내부에 제한될 것이다.4 (prior art). = D / S is used to find the critical angle of the neutral particles exiting from the surface of the
D는 필터 깊이이다. S는 요소(elements) (평면) 사이의 간격(거리)이다. θ는 중성 입자가 타겟으로부터 배출하는 (방출) 각도이다. Θ crit. 또는 임계각은 필터와의 적어도 한 번의 충돌에 대한 최대 각도이다. 102는 아크 이온 증발기의 타겟 물질이다. 114는 필터의 평면 또는 요소이다. 111은 필터의 평면에 충돌하고 그에 갇히는 중성 입자이다. 111a는 임계각에서 통과할 수 있는 중성 입자이다.D is the filter depth. S is the distance (distance) between elements (planes). is the angle at which neutrals emit (emit) from the target. Θ crit. Or the critical angle is the maximum angle for at least one collision with the filter. 102 is the target material of the arc ion evaporator. 114 is the plane or element of the filter. 111 is a neutral particle that collides with and confines the plane of the filter. 111a is a neutral particle that can pass through the critical angle.
또한, 임계각이 타겟 및 아크 이온 증발기의 설계에 의존하고 도 4 (선행 기술)의 공식을 이용한다는 것에 유념해야 한다. 시스템 설계자는 대형 입자의 여과가 필요한 양을 결정할 수 있다.It should also be noted that the critical angle depends on the design of the target and arc ion evaporator and uses the formula of Figure 4 (prior art). System designers can determine the amount of filtration required for large particles.
보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 상기 미국 특허 제8,382,963 B2호는 플라즈마의 자기장 수송을 위하여 여전히 Ryabchikov의 설계에 따르는 전기적인 편향을 사용한다.For better plasma transport, U.S. Patent No. 8,382,963 B2 still uses electrical deflection according to Ryabchikov's design for the magnetic field transport of the plasma.
도 5 (선행 기술)는 독일 드레스덴의 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소에서 제조된 베니션-블라인드 필터 시스템이다. 이것은 Ryabchikov의 설계에 따라 제작된 대형 시스템이고, 다수의 아크 이온 증발기가 이 필터의 일 측에 배치될 수 있다.5 (prior art) is a Venetian blind filter system manufactured at Fraunhofer Institute, Dresden, Germany. This is a large system made according to Ryabchikov's design, and a number of arc ion evaporators can be placed on one side of the filter.
그러나, 상기 베니션-블라인드 필터가 대형 입자의 여과에 매우 효과적이고, 사용자의 요구에 따라 설계를 변경할 수 있는 높은 유연성을 갖지만, 고유한 일부 문제점으로 인해 산업 시스템 내에서 낮은 인기를 갖는다. 이러한 문제점의 일부 예는 구조가 크고, 비용 절감을 위해 진공 챔버 내부 공간의 효과적인 사용이 요구되는 진공 챔버 내 대형 공간을 필요로 한다는 것이다. 이 필터 시스템은 자기장을 생성하기 위해 복잡한 전기 바이어스가 필요하므로, 이 필터 시스템의 제작 및 유지 비용 또한 높다. 증착 챔버 내부에서 진공 시스템의 많은 부분에 코팅 재료가 증착될 것이므로, 증착된 재료를 주기적으로 제거할 필요가 있다. 크고 복잡한 시스템은 유지를 위한 설치 제거의 문제를 의미하고, 필터 시스템으로부터 증착된 재료를 제거하기 위하여 보다 큰 시스템이 요구된다.However, the venetian blind filter is very effective for filtering large particles and has high flexibility to change the design according to the user's demand, but has low popularity in industrial systems due to some inherent problems. Some examples of such problems are that they require a large space in the vacuum chamber where the structure is large and effective use of the vacuum chamber interior space is required for cost reduction. This filter system requires a complicated electrical bias to generate a magnetic field, so the cost of fabricating and maintaining this filter system is also high. Since the coating material will be deposited in much of the vacuum system inside the deposition chamber, it is necessary to periodically remove the deposited material. Large and complex systems represent a problem of uninstallation for maintenance, and larger systems are required to remove deposited material from the filter system.
소련 시절, I. I. Aksenov 등은 음극 아크 증착 시스템으로부터 중성 입자 및 대형 입자의 각(angular) 분포를 연구하였고, 타겟 표면의 25 내지 30도에서 아크 이온 증발기로부터 중성 입자 및 대형 입자의 대부분이 방출되는 경향이 있다는 것을 발견하였다.During the Soviet era, II Axenov et al. Studied the angular distribution of neutral and large particles from a cathodic arc vapor deposition system and found that most of the neutral and large particles were emitted from the arc ion evaporator at 25-30 degrees of the target surface .
이 지식은 소련 내 수많은 연구 기관에서 다수의 스티어링된(Steered) 아크 이온 증발기의 설계에 반영되었다. 아크 이온 증발기의 타겟을 자체 포트 내부에 깊이 배치하고, 중성 및 대형 입자가 포트의 표면에 충돌하는 동안 플라즈마를 내보내기 위하여 솔레노이드 장을 사용함으로써, 이온/중성 비가 더 높아지고 따라서 보다 우수한 코팅을 얻을 수 있다.This knowledge was reflected in the design of a number of steered arc ion evaporators at numerous research institutes in the Soviet Union. By using a solenoid field to place the target of the arc ion evaporator deep within its own port and to discharge the plasma while neutral and large particles hit the surface of the port, the ion / neutrality ratio is higher and thus a better coating can be obtained .
도 6 (선행 기술)은 설계 개념을 사용하는 시스템을 도시한다. 포트 (103) 내부에 깊이 배치되는 아크 이온 증발기의 타겟 (102), 또는 상기 타겟이 진공 챔버를 마주하는 둥근 면을 갖는 경우 튜브는 플라즈마를 내보내기 위해 자기장 (또는 솔레노이드 장)을 생성하는 솔레노이드를 갖는다. 솔레노이드 장에 의해 내보내어지는 상기 플라즈마는 진공 챔버 내부의 공작물 (116) 표면을 향해 흐를 것이고, 상기 공작물 표면 상에 코팅을 증착할 것이다.Figure 6 (prior art) shows a system using design concepts. The
도 7 (선행 기술)은 솔레노이드 코일 (104)에 의해 생성된 자기장 (110)을 도시한다. 플라즈마가 자기장 선을 따라 이동할 것이므로 이 솔레노이드 장은 아크 이온 증발기의 타겟 (102)으로부터 공작물의 표면 (116)까지 플라즈마를 안내할 수 있다. Figure 7 (prior art) shows the
솔레노이드 포트를 이용한 필터 시스템은 매우 압축되게 제작될 수 있고, 일대일 방식으로 아크 이온 증발기에 설치될 수 있으므로 이러한 시스템에 필요한 공간이 작다는 장점을 갖는다. 그러나 이러한 종류의 시스템은 아크 이온 증발기의 타겟 직경과 비교할 경우 사용되는 포트가 큰 경향이 있으므로 낮은 여과 효율로 간주되고, 따라서 상당한 양의 중성 입자가 솔레노이드 포트의 벽으로부터 반사될 수 있고, 공작물 표면에 용이하게 내려앉을 수 있다.The filter system using the solenoid port can be made very compact and can be installed in the arc ion evaporator in a one-to-one manner, so that the space required for such a system is small. However, this kind of system is considered to have a low filtration efficiency because the port used when compared to the target diameter of the arc ion evaporator tends to be large, so that a significant amount of neutral particles can be reflected from the wall of the solenoid port, You can easily sit down.
또한, 효율 비 당 가격(price per efficiency ratio)이 높지 않으므로, 이 필터 시스템은 구 소련 연방 국가 외부의 산업 공동체에서 크게 확산되지 않는다.Also, since the price per efficiency ratio is not high, this filter system does not spread widely in industrial communities outside the former Soviet Union.
본 고안은 플라스마 빔에서 대형 입자를 필터링하기 위해 서로 평행하게 배치된 다중 튜브를 사용하여 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스(source)로부터 플라스마 빔의 품질을 개선시키기 위한 장치이다. The present invention is an apparatus for improving the quality of a plasma beam from an arc ion evaporator or a cathode arc source using multiple tubes disposed parallel to each other to filter large particles in the plasma beam.
본 고안의 고안자는 새로운 필터 시스템을 개발하기 위하여 상기 시스템의 장 단점을 고려하였다. 이 새로운 시스템은 종래 기술에 기재된 필터 시스템의 장점을 갖고 단점을 감소시킨다.The inventor of the present invention considered the drawbacks of the system to develop a new filter system. This new system has the advantages of the filter system described in the prior art and reduces the drawbacks.
본 고안의 고안자는 베니션-블라인드 구조를 사용하는 대신, 서로 평행하게 배치된 다중 튜브를 사용함으로써, 상기 다중 튜브가 아크 이온 증발기의 전방에 배치되는 포트에 설치될 수 있다. 이러한 배치를 사용함으로써 본 고안은 각각의 아크 이온 증발기에 일대일 방식으로 설치될 수 있으므로, 상기 진공 챔버 내부의 체적이 보존될 수 있다. 또한, 보다 나은 플라즈마 수송이 요구될 경우, 상기 솔레노이드 시스템은 더 많은 플라즈마를 내보내기 위한 자기장을 발생시키는데 사용될 수 있다. 상기 솔레노이드 장을 사용함으로써, 베니션-블라인드 필터용 전기-바이어스 자기장 발생기 시스템의 설계 및 생산의 복잡성이 회피될 수 있다.The inventors of the present invention may employ multiple tubes arranged parallel to each other, instead of using a Venetian-blind structure, such that the multiple tubes may be installed in a port located in front of the arc ion evaporator. By using this arrangement, the present invention can be installed in a one-to-one manner in each arc ion evaporator, so that the volume inside the vacuum chamber can be preserved. In addition, when better plasma transport is desired, the solenoid system can be used to generate a magnetic field for exporting more plasma. By using the solenoid field, the complexity of the design and production of the electro-biased magnetic field generator system for the Venetian blind filter can be avoided.
또한, 베니션-블라인드 시스템은 특히 시선 모드에서 작동할 경우 일부 방향에서만 효과적이다; 상기 평면(또는 라멜라)가 각도 없이 수평으로 배치되는 경우와 같이, 그것은 수평선을 따라 큰 공간을 남기고 더 많은 대형 입자가 좌우 방향으로 빠져 나가게 할 것이다. 각도 없이 수직으로 배치될 경우, 그것은 수직선을 따라 큰 공간을 남기고 더 많은 대형 입자가 상하 방향으로 빠져 나가게 할 것이다.Also, venetian blind systems are effective only in some directions, especially when operating in the line of sight mode; As with the plane (or lamella) being laid horizontally without angles, it will leave a large space along the horizon and allow more large particles to escape laterally. If placed vertically without an angle, it will leave a large space along the vertical line and more large particles will escape in the up and down direction.
그러나 본 고안은 튜브 구조를 사용하므로, 모든 방향으로부터 대형 입자를 차단하고 필터 시스템을 통과하는 더 적은 양의 입자를 남길 것이다.However, this design uses a tube structure, so it will block large particles from all directions and leave a smaller amount of particles going through the filter system.
선행 기술에서 사용된 순수한 솔레노이드 포트 필터와 비교할 경우, 다중 튜브를 사용하는 본 고안은 솔레노이드 포트의 벽 밖으로 반사되는 대형 입자를 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서 본 고안은 여과에 있어 보다 효과적이고, 비용 당 보다 우수한 효율을 갖는다.Compared to the pure solenoid port filter used in the prior art, the present invention using multiple tubes effectively blocks large particles that are reflected off the walls of the solenoid ports. Therefore, the present invention is more effective in filtration and has higher efficiency per cost.
본 고안의 일 측면에 따르면 아크 이온 증발기로부터 플라즈마를 필터링하기 위한 장치로서, 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 상기 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되고, 상기 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔에서 대형 입자를 포함하는 중성 입자를 필터링하기 위해 직관형 병렬 다중 튜브를 이용하며, 상기 병렬 다중 튜브는 서로 평행하게 배치되고 직관형 최외측 튜브 (103) 내부에 동심원 방식으로 수용되는, 음극 평면에 수직한 시선 중 플라즈마 스트림에 대해 투명한 직관형 최내측 튜브 (105), 직관형 인접 튜브 (106), 직관형 다음 인접 튜브 (107)로 구성되고, 상기 인접 튜브의 수 (또는 양)는 설계자의 요구에 따라 2개 내지 복수 개이되, 상기 최외측 튜브 내는 오직 하나의 최내측 튜브로 이루어지거나, 상기 최 내측 튜브와 상기 최외측 튜브 사이의 복수 개의 인접 튜브로 이루어지며, 보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 나선식으로 코일링되거나 감긴(wound) 금속 또는 전선으로 이루어진 전기 솔레노이드 코일 (104)이 상기 최외측 튜브를 감싸며 설치됨으로써, 발생된 자기장 (또는 솔레노이드 필드)이 플라즈마를 필터 시스템 밖으로 보다 효과적으로 안내하는 아크 이온 증발기로부터 플라즈마를 필터링하기 위한 필터 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for filtering a plasma from an arc ion evaporator, the apparatus comprising a cylindrical or rectangular plane or a blunt cone or other type of consuming cathode capable of projecting a plasma stream to the filter apparatus, In order to filter neutral particles containing large particles in a plasma beam from an ion evaporator, an intrinsic parallel multi-tube is used, the parallel multi-tubes are arranged in parallel with each other and are accommodated in a concentric manner in the straight tube- The straight tube type
본 고안의 다른 측면에 따르면 단일 유닛으로서의 내장형(built-in) 또는 상기 필터에 용접되거나 고정된, 이에 한정되지 않은 수단에 의한, 전술한 장치가 구비된 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로서, 상기 아크 이온 증발기는 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 전술한 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an arc ion evaporator or cathode arc source comprising a device as described above, by means of a built-in as a single unit or by means of, but not limited to, The ionic evaporator provides an arc ion evaporator or cathode arc source comprising a cylindrical or rectangular plane or a blunt conical shape or other type of consumable cathode capable of projecting the plasma stream into the filter device described above.
이때, 상기 필터 장치는 플라즈마 스트림의 운동 에너지를 이용하여 플라즈마를 필터 시스템 밖으로 내보내고, 상기 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔을 전기 솔레노이드 코일 없이 필터링하는 병렬 다중 직관형 튜브를 사용할 수 있다. At this time, the filter device may use a parallel multi-tube type tube for discharging the plasma outside the filter system using the kinetic energy of the plasma stream and for filtering the plasma beam from the arc ion evaporator without using the electric solenoid coil.
본 고안의 본 고안의 다른 측면에 따르면 단일 유닛으로서의 내장형 또는 상기 필터에 용접되거나 고정된, 이에 한정되지 않은 수단에 의한, 전술한 장치가 구비된 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로서, 상기 아크 이온 증발기는 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 제3항의 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an arc ion evaporator or cathode arc source comprising the above-described arrangement by means of a built-in unit as a single unit or welded or fixed to the filter, Provides an arc ion evaporator or cathode arc source comprising a cylindrical or rectangular plane or a blunt conical shape or other type of consumable cathode capable of projecting the plasma stream to the filter device of claim 3.
이때, 상기 필터 시스템 밖으로 플라즈마를 수송하는 다양한 방식의 영구 자석 또는 전자기 회로를 이용하여 상기 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔을 필터링하는 상기 직관형 병렬 다중 튜브를 사용할 수 있다. At this time, it is possible to use the intrinsic parallel multi-tube which filters the plasma beam from the arc ion evaporator by using various permanent magnets or electromagnetic circuits for transporting the plasma outside the filter system.
본 고안의 다른 측면에 따르면 단일 유닛으로서의 내장형 또는 상기 필터에 용접되거나 고정된, 이에 한정되지 않은 수단에 의한, 전술한 장치가 구비된 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로서, 상기 아크 이온 증발기는 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 전술한 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스를 제공한다.According to a further aspect of the present invention there is provided an arc ion evaporator or cathode arc source comprising a device as described above, by means of a built-in unit as a single unit or welded or fixed to the filter, but not limited thereto, A rectangular plane or a blunt conical shape or other type of consumable cathode capable of projecting the plasma stream into the filter device described above.
본 고안의 또 다른 측면에 따르면 표면 코팅, 또는 박막 증착, 또는 마이크로미터 범위의 특정 구조를 갖는 물질의 합성, 또는 나노미터 범위의 특정 구조를 갖는 물질의 합성, 나노-세라믹 분말과 같은 여러 나노-물질의 합성, 또는 다이아몬드-유사 탄소(Diamond-Like Carbon, DLC)의 합성, 이 기술을 이용하여 합성될 수 있는 기타 관련 물질을 위한 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스가 구비된 전술한 필터 장치가 구비된 기기로서, 상기 기기는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스의 설치를 위해 준비된, 단일 유닛으로서의 내장형 또는 상기 필터에 용접되거나 고정된, 이에 한정되지 않은 수단에 의한, 전술한 필터 장치를 구비하는 기기를 제공한다.According to another aspect of the present invention there is provided a method of fabricating a nanocomposite, such as a surface coating, or a thin film deposition, or a synthesis of a material having a specific structure in the micrometer range, or a synthesis of a material having a specific structure in the nanometer range, There is the above-described filter device equipped with a arc ion evaporator or a cathode arc source for the synthesis of materials or synthesis of diamond-like carbon (DLC), and other related materials that can be synthesized using this technique , Said device comprising a device having the above-described filter device by means of a built-in as a single unit or by means of, but not limited to, welding or fixing to the filter, prepared for the installation of an arc ion evaporator or a cathode arc source to provide.
본 고안은 서로 평행하게 배치된 다중 튜브를 사용함으로써 플라스마 빔을 오염시키는 대형 입자의 크기 및/또는 양이 제어될 수 있다. The present design can control the size and / or amount of large particles that contaminate the plasma beam by using multiple tubes arranged in parallel with each other.
또한, 본 고안은 이 필터 장치에 자기장을 부여함으로써 플라스마 수송이 향상될 수 있다. 본 고안의 필터는 플라스마 빔 중 대형 입자의 수를 감소시킬 수 있고, 그럼에도 불구하고 이 필터는 공학적 요구에 부합되는 적용을 위한 고도의 유연성을 갖는 압축 형태로 설계될 수 있다.Further, the present invention can improve the plasma transportation by applying a magnetic field to the filter device. The filter of the present invention can reduce the number of large particles in the plasma beam and nevertheless the filter can be designed in a compression configuration with a high degree of flexibility for applications that meet engineering needs.
도 1 (선행 기술)은 참고문헌 1의 베네치안-블라인드 필터의 개략도이다.
도 2 (선행 기술)는 참고문헌 2의 베네치안-블라인드 필터의 개략도이다.
도 3 (선행 기술)은 참고문헌 3의 자기장선을 따르는 플라즈마 이동을 도시한다.
도 4 (선행 기술)는 참고문헌 6의 시선 모드 베네치안-블라인드 필터의 임계각을 결정하는데 사용되는 수학식을 도시한다.
도 5 (선행 기술)는 참고문헌 3의 Ryabchikov 타입 베네치안-블라인드 필터의 사진이다.
도 6 (선행 기술)은 참고문헌 5의 솔레노이드 장을 사용하는 필터 장치의 개략도이다.
도 7 (선행 기술)은 참고문헌 5의 솔레노이드에 의해 발생된 자기장의 개략도이다.
도 8 (본 고안)은 병렬 다중 튜브 필터의 개략적인 측면도이다.
도 9 (본 고안)는 병렬 다중 튜브 필터의 원리를 도시한다.
도 10 (본 고안)은 원형 면(circular face) 아크 이온 증발기에 대한 병렬 다중 튜브 필터의 개략적인 정면도이다.
도 11 (본 고안)은 직사각형 면 아크 이온 증발기에 대한 병렬 다중 튜브 필터의 개략적인 정면도이다
도 12 (본 고안)는 솔레노이드 튜브 내에 배치된 실험상의 병렬 다중 튜브의 사진이다.1 (Prior Art) is a schematic view of a Venetian-blind filter of Reference 1.
2 (Prior Art) is a schematic view of a Venetian-blind filter of Reference 2.
Fig. 3 (Prior Art) shows the plasma movement along the magnetic line of Reference 3.
4 (prior art) shows a mathematical expression used to determine the critical angle of the line-of-sight Venetian-blind filter of reference 6.
Figure 5 (prior art) is a photograph of Ryabchikov type Venetian-blind filter of reference 3.
6 (Prior Art) is a schematic view of a filter device using a solenoid field of reference 5.
7 (Prior Art) is a schematic view of the magnetic field generated by the solenoid of Reference 5.
Fig. 8 (present invention) is a schematic side view of a parallel multi-tube filter.
Fig. 9 (present invention) shows the principle of a parallel multi-tube filter.
10 is a schematic front view of a parallel multi-tube filter for a circular face arc ion evaporator.
Figure 11 (present design) is a schematic front view of a parallel multi-tube filter for a rectangular plane arc ion evaporator
Figure 12 (present design) is a photograph of an experimental parallel multi-tube placed in a solenoid tube.
도 8 (본 고안)은 본 고안에 따른 아크 이온 증발기의 다중 튜브 필터 시스템의 원리를 도시한다. 아크 이온 증발기 (101)는 원하는 물질을 증발시키는 음극으로서 설치된 타겟 (102)을 갖는다. 타겟 밖으로 방출된 플라즈마 및 입자는 플라즈마 빔으로부터 중성 및 대형 입자를 필터링하는 병렬 다중 튜브로 화살표에 의해 도시된 방향으로 이동한다. 상기 병렬 다중 튜브는 서로 평행하게 배치되고 최외측 튜브(103) 내부에 수용된 최내측 튜브 (105), 인접 튜브 (106), 다음 인접 튜브 (107)로 이루어진다. 인접 튜브의 수 (또는 양)는 설계자의 요구에 따라 무제한 양으로 존재할 수 있고, 예를 들어, 최외측 튜브 내에 오직 하나의 최내측 튜브가 존재할 수 있거나, 최내측 튜브와 최외측 튜브 사이에 수백 개의 튜브가 존재할 수 있다. 이들 튜브의 깊이 및 공간 거리는 설계자의 실험에 따라 또는 도 4에 도시된 수학식을 사용함으로써 결정될 수 있다.Fig. 8 (the present invention) shows the principle of the multi-tube filter system of the arc ion evaporator according to the present invention. The
이러한 배열에 의해 보다 높은 에너지 수준을 갖고 가스보다 더 휘발성인 플라즈마 빔이 병렬 다중 튜브들 사이의 공간을 통과할 수 있다. 병렬 다중 튜브 필터 시스템에 대해 꺾인 궤적을 갖는 경향이 있는 중성 또는 대형 입자가 필터에 도달할 때, 그들은 필터 시스템 내에 주입되거나 거기서 정지될 것이다This arrangement allows a plasma beam, having a higher energy level and being more volatile than gas, to pass through the space between the parallel multiple tubes. When a neutral or large particle that tends to have a bent trajectory for a parallel multi-tube filter system reaches the filter, they will be injected into or stopped therefrom
보다 나은 플라즈마 수송이 요구될 경우, 전기 솔레노이드 코일 (104)이 최외측 튜브를 감싸도록 설치될 것이다. 또한, 생성된 솔레노이드 장 (또는 자기장)이 병렬 다중 튜브에 평행한 필드선을 가지므로, 플라즈마 (및/또는 이온)가 필터 시스템 밖으로 보다 효율적으로 안내될 것이다.When better plasma transport is desired, an
도 8에 도시된 105, 106, 107과 같은 병렬 다중 튜브 세트 (최 내측 튜브 및 인접 튜브로 구성됨)의 경우, 시스템의 설계자는 상기 병렬 튜브 시스템이 전기적으로 플로트(float) 상태를 유지하도록 하거나, 또는 상기 병렬 튜브 시스템이 아크 이온 증발기의 목표 포텐셜과 비교할 경우 양성이 되게 하여 아크 이온 증발기가 그와 같이 안정하지 않을 경우 안정화 하는 것을 돕거나, 또는 코팅 구조의 더 나은 제어를 위해 상기 병렬 튜브 시스템이 공작물에 비해 높은 전위장(electric potential field)을 생성하는 것을 보조하게 하거나, 이온 주입을 위해, 또는 공작물의 이온 에칭 등을 위하여, 이와 같은 (그러나 이에 한정되지 않는) 상기 튜브 시스템을 바이어싱하는 기술을 선택할 수 있다.In the case of a parallel multi-tube set (consisting of the innermost tube and adjacent tubes), such as 105, 106, and 107 shown in FIG. 8, the designer of the system may allow the parallel tube system to maintain an electrically float state, Or to help the parallel tube system to become positive when compared to the target potential of the arc ion evaporator to help stabilize the arc ion evaporator if not so stable, or for better control of the coating structure, (Such as, but not limited to) biasing the tube system to assist in creating a higher electric potential field relative to the workpiece, for ion implantation, or for ion etching of a workpiece, Can be selected.
튜브 구축에 사용되는 재료는 플라즈마 빔의 열 및/또는 부식 특성을 견딜 수 있는 한 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 따라서 시스템의 설계자가 적절하다고 생각하는 방식으로 내화 금속, 금속 합금, 세라믹, 복합 재료 등이 될 수 있다 (이에 국한되지 않음).The material used to construct the tube may be selected from a variety of materials as long as it can withstand the thermal and / or corrosive properties of the plasma beam. Thus, (but not limited to) refractory metals, metal alloys, ceramics, composites, etc., in ways that the designer of the system deems appropriate.
도 9 (본 고안)는 본 고안의 병렬 다중 튜브 시스템 내부에서 일어나는 여과 과정을 도시한다. 플라즈마 빔이 아크 이온 증발기로부터 화살표 방향을 따라 필터 시스템으로 이동할 경우, 자기장에 의해 영향 받을 수 있는 플라즈마 성분 인 양이온 [+ 기호] (109)이 자기장선 (110)을 따라, 또는 솔레노이드 코일 (104)로부터 발생되고, 또한 다중 튜브 시스템 (최외측 튜브 (103) 및 내부 튜브 시스템으로 구성됨)에 평행한 솔레노이드 필드 선을 따라 안내될 수 있다. 상기 양이온은 다중 튜브 시스템을 용이하게 지나도록 안내될 것이지만, 자기장에 의해 영향 받지 않고 다중 튜브 시스템과 각이 진 궤적 (112)으로 움직이는 경향이 있는 중성 입자 (111)의 경우, 튜브 벽 중 하나와 충돌하여 그곳에서 즉시 정지하거나 반사되어 다중 튜브 시스템 내부에서 정지될 수 있을 것이다.Fig. 9 (the present invention) shows the filtration process occurring inside the parallel multi-tube system of the present invention. When the plasma beam moves from the arc ion evaporator to the filter system along the direction of the arrow, positive ions [+ sign] 109, which is a plasma component that can be affected by the magnetic field, And may be guided along a solenoid field line parallel to the multi-tube system (comprised of the
도 10 (본 고안)은 본 고안에 따른 병렬 다중 튜브 필터 시스템의 정면도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 105, 106, 107은 최내측 튜브, 인접 튜브 및 다음 인접 튜브이고, 103은 외측을 둘러싸는 솔레노이드 (104)를 갖는 최외측 튜브이다. 전기-바이어스 시스템 108은 상기 솔레노이드를 바이어싱하기 위해 사용된다.10 (a) shows a front view of a parallel multi-tube filter system according to the present invention. As shown in FIG. 8, the
이 도 10 스킴과 같은 원형의 정면 구조를 갖는 병렬 다중 튜브 필터 시스템은 원형 정면 영역을 갖는 타겟을 구비한 아크 이온 증발기에 설치하기에 적합하다.A parallel multi-tube filter system having a circular frontal structure such as the FIG. 10 scheme is suitable for installation in an arc ion evaporator having a target having a circular frontal area.
도 11 (본 고안)은 본 고안에 따른 병렬 다중 튜브 필터 시스템의 정면도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 105, 106, 107은 최내측 튜브, 인접 튜브 및 다음 인접 튜브이고, 103은 외측을 둘러싸는 솔레노이드 104를 갖는 최외측 튜브이다. 전기-바이어스 시스템 108은 상기 솔레노이드를 바이어싱하기 위해 사용된다.Fig. 11 (present invention) shows a front view of a parallel multi-tube filter system according to the present invention. As shown in FIG. 8,
이 도 11 스킴과 같은 직사각형의 정면 구조를 갖는 병렬 다중 튜브 필터 시스템은 직사각형 정면 영역을 갖는 타겟을 구비한 아크 이온 증발기에 설치하기에 적합하다.A parallel multi-tube filter system having a rectangular frontal structure such as the one shown in FIG. 11 is suitable for installation in an arc ion evaporator having a target having a rectangular frontal area.
도 12 (본 고안)는 솔레노이드 튜브 내부에 설치된 실험상의 병렬 다중 튜브의 예시를 나타내는 사진이다.Fig. 12 (present invention) is a photograph showing an example of an experimental parallel multi-tube provided inside a solenoid tube.
바람직한 구체예의 설명Description of preferred embodiments
본 고안의 도 8에 따른 병렬 다중 튜브 필터 시스템은 원하는 물질을 플라즈마 형태로 증발시키기 위하여 그의 음극으로 설치된 타겟 (102)을 갖는 아크 이온 증발기 (101)로 구성된다. 상기 아크 이온 증발기로부터 발생되는 상기 플라즈마 및 중성 입자는 화살표 방향으로 플라즈마 빔의 밖으로 중성 입자 및 대형 입자를 필터링할 병렬 다중 튜브 시스템으로 이동할 것이다. 상기 병렬 다중 튜브는 서로 평행하게 배치되고 최 외측 튜브 (103) 내에 수용된 최 내측 튜브 (105), 인접 튜브 (106), 다음 인접 튜브 (107)로 이루어진다. 인접 튜브의 수 (또는 양)는 설계자의 요구에 따라 무제한 양으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 최 외측 튜브 내에 오직 하나의 최 내측 튜브가 존재할 수 있거나, 또는 최 내측 튜브와 최 외측 튜브 사이에 수백 개의 튜브가 존재할 수 있다. 또한, 보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 전기 솔레노이드 코일 (104)이 최 외측 튜브를 감싸며 설치되고, 그에 의해 발생된 자기장 (또는 솔레노이드 장)이 플라즈마를 필터 시스템의 밖으로 보다 효율적으로 인도할 것이다.The parallel multi-tube filter system according to FIG. 8 of the present invention consists of an
인용된 참고문헌References cited
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101 : 아크 이온 증발기
102 : 타겟
103 : 최외측 튜브
104 : 솔레노이드 코일
105 : 최내측 튜브
106 : 인접 튜브
107 : 다음 인접 튜브
108 : 전기-바이어스 시스템101: arc ion evaporator 102: target
103: outermost tube 104: solenoid coil
105: innermost tube 106: adjacent tube
107: next adjacent tube 108: electric-bias system
Claims (7)
원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 상기 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되고,
상기 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔에서 대형 입자를 포함하는 중성 입자를 필터링하기 위해 직관형 병렬 다중 튜브를 이용하며,
상기 병렬 다중 튜브는
서로 평행하게 배치되고 직관형 최외측 튜브 (103) 내부에 동심원 방식으로 수용되는, 음극 평면에 수직한 시선 중 플라즈마 스트림에 대해 투명한 직관형 최내측 튜브 (105), 직관형 인접 튜브 (106), 직관형 다음 인접 튜브 (107)로 구성되고,
상기 인접 튜브의 수 (또는 양)는 설계자의 요구에 따라 2개 내지 복수 개이되, 상기 최외측 튜브 내는 오직 하나의 최내측 튜브로 이루어지거나, 상기 최 내측 튜브와 상기 최외측 튜브 사이의 복수 개의 인접 튜브로 이루어지며,
보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 나선식으로 코일링되거나 감긴(wound) 금속 또는 전선으로 이루어진 전기 솔레노이드 코일 (104)이 상기 최외측 튜브를 감싸며 설치됨으로써, 발생된 자기장 (또는 솔레노이드 필드)이 플라즈마를 필터 시스템 밖으로 보다 효과적으로 안내하는 아크 이온 증발기로부터 플라즈마를 필터링하기 위한 필터 장치.An apparatus for filtering a plasma from an arc ion evaporator,
A cylindrical or rectangular plane or a blunt cone or other type of consumable cathode capable of projecting a plasma stream to the filter device,
An intuitive parallel multi-tube is used to filter neutral particles containing large particles from the plasma beam from the arc ion evaporator,
The parallel multi-
An inner tube 105, an inner tube 106, and an inner tube 103, which are parallel to each other and are received in a concentric manner inside the straight tube 103, the tubes being transparent to the plasma stream, And is composed of an adjacent tube 107,
The number (or amount) of the adjacent tubes is two or more according to the designer's request, and the inside of the outermost tube is made up of only one innermost tube, or a plurality An adjacent tube,
For better plasma transport, an electric solenoid coil 104, made of a spiral coiled or wound metal or wire, is wrapped around the outermost tube so that the generated magnetic field (or solenoid field) A filter device for filtering a plasma from an arc ion evaporator that more effectively guides it out of the system.
상기 아크 이온 증발기는 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 제1 항의 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스.An arc ion evaporator or cathode arc source comprising the apparatus of claim 1 by means of a built-in as a single unit or by means of, but not limited to, welding or fixing to the filter,
Wherein the arc ion evaporator comprises a cylindrical or rectangular plane or a blunt conical shape or other type of consumable cathode capable of projecting the plasma stream into the filter device of claim 1.
상기 필터 장치는 플라즈마 스트림의 운동 에너지를 이용하여 플라즈마를 필터 시스템 밖으로 내보내고,
상기 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔을 전기 솔레노이드 코일 없이 필터링하는 병렬 다중 직관형 튜브를 사용하는, 아크 이온 증발기로부터 플라즈마를 필터링하기 위한 필터 장치.The method according to claim 1,
The filter device uses the kinetic energy of the plasma stream to discharge the plasma out of the filter system,
And a parallel multi-tube tube for filtering the plasma beam from the arc ion evaporator without an electric solenoid coil.
상기 아크 이온 증발기는 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 제3항의 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스.An arc ion evaporator or cathode arc source comprising an apparatus as claimed in claim 3 by means of a built-in unit as a single unit or by means of, but not limited to,
The arc ion evaporator may comprise a cylindrical or rectangular plane or a blunt conical shape or other type of consumable cathode capable of projecting the plasma stream to the filter device of claim 3.
상기 필터 시스템 밖으로 플라즈마를 수송하는 다양한 방식의 영구 자석 또는 전자기 회로를 이용하여 상기 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔을 필터링하는 상기 직관형 병렬 다중 튜브를 사용하는, 아크 이온 증발기로부터 플라즈마를 필터링하기 위한 필터 장치.The method according to claim 1,
A filter device for filtering the plasma from the arc ion evaporator, using the intuitively parallel multi-tube to filter the plasma beam from the arc ion evaporator using various types of permanent magnets or electromagnetic circuits to transport the plasma outside the filter system .
상기 아크 이온 증발기는 원통형 또는 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔 형태 또는 플라즈마 스트림을 제5항의 필터 장치로 투사할 수 있는 기타 형태의 소모 음극으로 구성되는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스.An arc ion evaporator or cathode arc source comprising the apparatus of claim 5 by means of a built-in unit as a single unit or by means of, but not limited to, welding or fixing to the filter,
The arc ion evaporator comprises a cylindrical or rectangular plane or a blunt conical shape or other type of consumable cathode capable of projecting the plasma stream into the filter device of claim 5.
상기 기기는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스의 설치를 위해 준비된, 단일 유닛으로서의 내장형 또는 상기 필터에 용접되거나 고정된, 이에 한정되지 않은 수단에 의한, 제1항, 제3항 및 제5항의 필터 장치를 구비하는 기기.Surface coating, or thin film deposition, or synthesis of materials having specific structures in the micrometer range, or synthesis of materials having specific structures in the nanometer range, synthesis of various nano-materials such as nano-ceramic powders, The filter device of any one of claims 1, 3 and 5, provided with an arc ion evaporator or cathode arc source for the synthesis of diamond-like carbon (DLC), and other related materials that can be synthesized using this technique As a device provided,
The apparatus of claim 1, 3 or 5, characterized in that it comprises a filter device (1) according to any one of claims 1, 3 and 5, by means of means built in as a single unit or welded or fixed to the filter, .
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